混凝土厚度的敲擊反射波與寬頻輸入的比較
 

　　現(xiàn)有的混凝土板和地面經(jīng)常不知厚度和其它情況。敲擊回波技術(shù)經(jīng)常被使用來(lái)確定混凝土板和地面的厚度。這種方法采用一個(gè)敲擊儀器來(lái)激發(fā)結(jié)構(gòu)，再采用FFT分析來(lái)確定反應(yīng)中的共振頻率。但是，每個(gè)敲擊儀器都有其輸入和頻率特性，并和實(shí)際混凝土厚度、硬度和結(jié)構(gòu)有關(guān)，從而影響頻率成份并影響結(jié)果。新的技術(shù)采用脈沖晶體(脈沖回波)來(lái)產(chǎn)生寬頻輸入，只會(huì)激發(fā)板或地面的真實(shí)的共振頻率。自行率定和試驗(yàn)程序的要求得到了討論。不同的厚度和混凝土表面情況進(jìn)行了比較和介紹，說(shuō)明寬頻法比傳統(tǒng)的敲擊回波法更*。
 

　　輸入特性和頻率
 

　　敲擊回波法
 

　　敲擊回波法(IE)基于短暫的機(jī)械敲擊產(chǎn)生的混凝土試樣中的過(guò)渡性的應(yīng)力波。敲擊持續(xù)時(shí)間(接觸時(shí)間)，即敲擊儀器接觸試驗(yàn)表面的時(shí)間，是敲擊回波法成功的關(guān)鍵。敲擊持續(xù)時(shí)間取決于敲擊儀器尺寸和種類(lèi)和敲擊點(diǎn)處混凝土的狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)敲擊儀器是不同尺寸的鋼球或螺旋管。當(dāng)給定一個(gè)敲擊儀器時(shí)，光滑和堅(jiān)硬的表面與粗軟的表面相比，會(huì)產(chǎn)生的短的敲擊時(shí)間。
 

　　脈沖回波法
 

　　脈沖回波法(PE)基于采用發(fā)射/感應(yīng)器來(lái)管理混凝土表面的寬頻波。傳感器采用壓電晶體元件(PZT)。在PZT元件上施加短的高壓脈沖。施加的電壓產(chǎn)生晶體收縮/膨脹。收縮/膨脹產(chǎn)生壓力脈沖，并在混凝土中產(chǎn)生寬頻波場(chǎng)。由晶體產(chǎn)生的波場(chǎng)不同于機(jī)械波，不取決于表面條件(硬度和結(jié)構(gòu))。這些特性包括在了樁動(dòng)力學(xué)公司的聲波混凝土測(cè)試儀(ACT)中，用于產(chǎn)生這個(gè)文章的所有的脈沖回波試驗(yàn)。
 

　　接觸時(shí)間
 

　　接觸時(shí)間是混凝土試樣厚度測(cè)量中zui重要的。幅射波場(chǎng)的很寬的頻率范圍保證了有一個(gè)頻率與混凝土厚度對(duì)應(yīng)。波場(chǎng)包括的頻率范圍與接觸時(shí)間的倒數(shù)成正比，頻率幅度與接觸時(shí)間成正比(即當(dāng)接觸時(shí)間下降時(shí)，頻率范圍增加，但頻率成份幅度減少)。
 

　　接觸時(shí)間可以通過(guò)波形的zui初部分的來(lái)測(cè)量。對(duì)于脈沖和敲擊產(chǎn)生于不同硬度和結(jié)構(gòu)試樣的表面波的接觸時(shí)間都進(jìn)行測(cè)量。儀器包括一個(gè)寬頻PZT傳感器接受表面波的到達(dá)，一個(gè)數(shù)字式示波儀來(lái)顯示和分析接受的信號(hào)。脈沖回波試驗(yàn)設(shè)備用于脈沖生產(chǎn)的波輸入，敲擊回波設(shè)備用于機(jī)械敲擊產(chǎn)生的波輸入。施加輸入波于寬頻接受器旁。圖1顯示光滑表面施加的脈沖回波法和敲擊回波法產(chǎn)生的波形的接觸時(shí)間。表1列出了測(cè)量的接觸時(shí)間和采用同樣的記錄儀對(duì)于不同表面的相應(yīng)限定頻率。
 

　　可知，脈沖回波(PE)波場(chǎng)的頻率成份與接觸表面的硬度和結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，而某個(gè)敲擊回波(IE)波場(chǎng)的頻率成份取決于接觸表面的硬度和結(jié)構(gòu)。當(dāng)接觸時(shí)間變長(zhǎng)時(shí)，zui大頻率成份減少，因此測(cè)量薄試樣的能力減少。因此短持續(xù)時(shí)間和高頻率成份的脈沖回波輸入法容易測(cè)量較薄的試樣。
 

　　脈沖回波(寬頻晶體)和敲擊回波(Solenoid)在光滑混凝土面產(chǎn)生的表面波形
 

　　共振法
 

　　通過(guò)脈沖或敲擊回波法產(chǎn)生的波可以通過(guò)共振法來(lái)測(cè)量混凝土厚度。由脈沖或敲擊產(chǎn)生的波場(chǎng)在混凝土中傳播。由于在薄混凝土中的傳播途徑短，會(huì)產(chǎn)生重復(fù)性的反射。持續(xù)時(shí)間T的波形(相應(yīng)于物件厚度的2倍，TH)會(huì)產(chǎn)生。采用高采樣頻率和實(shí)時(shí)FFT(快速富利埃變換)，把波形轉(zhuǎn)換到頻率域，并確定主頻度，該主頻與背景反射回波相對(duì)應(yīng)(由于混凝土和空氣或混凝土與骨料界面的不連續(xù)性)。當(dāng)試樣中有其它的不連續(xù)性，如碎片、分層或水平缺陷，頻率譜會(huì)顯示附加的頻率。
 

　　厚度測(cè)量對(duì)任何一種方法(脈沖輸入或敲擊輸入)，厚度測(cè)量通過(guò)共振頻率得到，共振頻率與試驗(yàn)厚度的兩倍對(duì)應(yīng)。試樣厚度用下面公式得到：這里WS為P波波速，F(xiàn)為共振主頻。
 

　　脈沖回波法的厚度測(cè)量時(shí)把接受器和發(fā)射器靠近放置，混凝土表面要清潔，再施加寬頻脈沖。試驗(yàn)混凝土表面可以油漆或蓋有地板磚。圖2為頻率譜，其中的主峰值與共振厚度TH對(duì)應(yīng)(試驗(yàn)點(diǎn)T9)。頻率譜包括結(jié)果厚度TH-試驗(yàn)點(diǎn)T9敲擊回波法的厚度測(cè)量通過(guò)把接受傳感放在干凈混凝土表面，并在旁邊施加機(jī)械敲擊(即通過(guò)solenoid施加)。混凝土表面可以油漆，或者貼上地板磚。標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)敲擊回波試驗(yàn)設(shè)備沒(méi)有能力產(chǎn)生結(jié)果頻率反應(yīng)的硬考貝。
 

　　波速測(cè)量如方程1所注，波速(測(cè)量的或假定的)用于轉(zhuǎn)換測(cè)量的共振頻率為混凝土厚度。根據(jù)ASTM C1383，一個(gè)未知厚度的混凝土的P波波速可以直接測(cè)量混凝土表面P波來(lái)確定。P波波速可以通過(guò)把兩個(gè)傳感器之間的間距用到達(dá)時(shí)間差來(lái)除。測(cè)量得到的P波波速比假定波速能給出更準(zhǔn)確的厚度。
 

　　基本敲擊回波法設(shè)備的設(shè)置可以測(cè)量未知厚度的表面P波波速。如果一個(gè)試樣已知厚度，波速可以率定。如果厚度未知，可以采用破壞性試樣來(lái)確定厚度，但要假定波速(有一定的不確定性)。但是，標(biāo)準(zhǔn)的脈沖試驗(yàn)設(shè)備(ACT)裝置成可以測(cè)量未知厚度的P波波速。發(fā)射器和接受器在混凝土表面間隔大約24英寸(610mm)。測(cè)量的為直接表面P波zui初到達(dá)接受器的時(shí)間(T1)減去P波初始時(shí)間(T0)。圖3為結(jié)果P波波速測(cè)量結(jié)果(地點(diǎn)T9)。
 

　　T9點(diǎn)的波速測(cè)量
 

　　現(xiàn)在調(diào)查一下由脈沖和敲擊產(chǎn)生的直接表面P波的測(cè)量結(jié)果。試驗(yàn)使用兩個(gè)寬頻PZT傳感器來(lái)感應(yīng)施加的波場(chǎng)、 導(dǎo)向表面P波，用數(shù)字式示波器顯示分析信號(hào)。脈沖回波法和敲擊回波產(chǎn)生的波場(chǎng)施加點(diǎn)離*個(gè)接受器的距離為6英寸(152mm)。對(duì)于脈沖產(chǎn)生的波場(chǎng)接受的P波非常明顯，而對(duì)于敲擊產(chǎn)生的波場(chǎng)則不明顯。由脈沖回波發(fā)射器傳入混凝土的波場(chǎng)的幅度比敲擊回波儀產(chǎn)生的波場(chǎng)幅度強(qiáng)。波場(chǎng)的強(qiáng)度非常重要，來(lái)保證直接P波被接受。大的波場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于粗糙表面和基層條件情況提供了好的操作性能。
 

　　脈沖回波與敲擊回波混凝土厚度測(cè)量比較
 

　　混凝土P波波速和厚度測(cè)量試驗(yàn)采用了脈沖系統(tǒng)(ACT)和敲擊回波系統(tǒng)。混凝土試樣有不同的厚度、波速和表面條件、支撐條件和形狀。試驗(yàn)的混凝土試樣可以分為1)光滑表面混凝土板包括基層(實(shí)際的厚度不知道)；2)光滑混凝土板沒(méi)有基層(背景界面為空氣或者已經(jīng)實(shí)際厚度)；3)粗糙表面混凝土板有基層(實(shí)際厚度不知)；和4)光滑表面混凝土管沒(méi)有基層(已知實(shí)際厚度)。采用脈沖回波法的厚度測(cè)量基于的速度，是采用脈沖回波試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量得到的直接P波速度。
 

　　采用敲擊回波方法的厚度測(cè)量基于建議缺省的波速12000英尺/秒(3657m/s)，在試樣的厚度未知時(shí)。而對(duì)于已經(jīng)厚度的試樣，采用率定波速。所謂的率定波速由已知厚度和共振頻率測(cè)量得到，采用敲擊回波試驗(yàn)設(shè)備。因?yàn)槁识梢杂梢阎穸却_定未知的速度，厚度測(cè)量就變成了已經(jīng)完成的先知行為。對(duì)12個(gè)不同的試樣進(jìn)行了厚度測(cè)量。每個(gè)試樣在四個(gè)點(diǎn)測(cè)量厚度，四個(gè)點(diǎn)矩形分布，點(diǎn)間距6英寸(152mm)。四個(gè)點(diǎn)中每一點(diǎn)zui多會(huì)有五次測(cè)量。對(duì)于每個(gè)試樣，取四個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均值并記錄在表2中。試樣T1、T2和T3光滑表面，并在基層上面(倉(cāng)庫(kù)地板)。實(shí)際的厚度是無(wú)法測(cè)量的。對(duì)于T1和T2，PE和IE厚度測(cè)量的差別為不同的波速的原因(PE采用測(cè)量的P波波速，IE采用假定的波速)。對(duì)于T3，PE和IE厚度測(cè)量結(jié)果的不同是由于不同的波速和不同的峰值共振頻率。試樣T5、T6、T7和T12都有粗糙的表面，并在基層上。實(shí)際的厚度是無(wú)法測(cè)量的。在粗糙表面上，敲擊回波法設(shè)備經(jīng)常要求多次試驗(yàn)嘗試才能得到一個(gè)測(cè)量厚度值。如果經(jīng)過(guò)5次嘗試沒(méi)有一個(gè)結(jié)果，那個(gè)測(cè)點(diǎn)就沒(méi)有數(shù)據(jù)(對(duì)于每個(gè)試樣測(cè)量四個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)zui多兩次測(cè)量)。T5點(diǎn)就沒(méi)有數(shù)據(jù)(四個(gè)點(diǎn)只有三個(gè)點(diǎn)可用)。T6有三個(gè)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)(只有一個(gè)點(diǎn)有數(shù)據(jù))。T12四個(gè)點(diǎn)都沒(méi)有數(shù)據(jù)(四個(gè)點(diǎn)都沒(méi)有結(jié)果)。T12為zui粗糙的表面，為深沖刷的人行道。脈沖回波法在*次嘗試時(shí)在每個(gè)試樣的四個(gè)點(diǎn)都得到了測(cè)量結(jié)果。當(dāng)?shù)玫綔y(cè)量結(jié)果時(shí)，PE和IE厚度測(cè)量的差別是波速差別造成的(即PE采用測(cè)量的P波速，IE采用假定的波速)，說(shuō)明實(shí)際波速測(cè)量重要。誤差率與設(shè)計(jì)TH值之比。
 

　　脈沖回波(PE)和敲擊回波(IE)法測(cè)量的厚度*試樣的頂部和底部可以到達(dá)，并且實(shí)際厚度可測(cè)。
 

　　**厚度測(cè)量和計(jì)算誤差不能夠得到(沒(méi)有信號(hào))。試樣T4、T8和T9都有光滑表面，沒(méi)有基層。實(shí)際厚度T4為8英寸(203mm)，T8為19英寸(483mm)，T9為9英寸(229mm)。采用脈沖回波設(shè)備測(cè)量到的厚度與實(shí)際厚度相差1.3%，采用測(cè)量到的直接表面波確定的波速。正像期望那樣，采用敲擊回波法設(shè)備測(cè)量到的厚度與實(shí)際厚度相比差1.1%，因?yàn)椴ㄋ俑鶕?jù)用戶(hù)輸入的實(shí)際厚度進(jìn)行了率定。厚度測(cè)量中的誤差是由于在四個(gè)不同測(cè)量點(diǎn)波速的變化、設(shè)備頻率和波速的分辨率。試樣T10和T11為混凝土管，有光滑的彎曲的表面，沒(méi)有基層。需要測(cè)量實(shí)際的厚度7英寸(178mm)。T10的內(nèi)徑為72英寸(1829mm)，T11的外徑為86英寸(2184mm)。采用脈沖回波，基于P波波速得到的厚度與實(shí)際厚度吻合。已知厚度用于敲擊回波法來(lái)率定波速。
 

　　結(jié)論
 

　　在確定混凝土厚度方面，脈沖回波法比敲擊回波法表現(xiàn)出更高的優(yōu)點(diǎn)。脈沖回波產(chǎn)生的波場(chǎng)的頻率成份與材料的硬度和結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，并保持常值。測(cè)量薄試樣的能力不會(huì)由于軟的、粗糙的表面而降低，如同敲擊回波那樣。采用脈沖回波法傳入混凝土的波場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)，在粗糙表面和較厚試樣條件下，具有更高的厚度測(cè)量能力和P波波速測(cè)量能力。粗糙表面條件的試樣采用敲擊回波法時(shí)有一定的困難，而脈沖回波法卻有一致性很好的信號(hào)。 標(biāo)準(zhǔn)脈沖回波設(shè)備(沒(méi)有附加的設(shè)備)允許未知厚度試樣的P波波速的測(cè)量。這個(gè)能力大大地改進(jìn)結(jié)果的可靠性。
 

　　在已知實(shí)際厚度的情況下，采用脈沖回波測(cè)量得到的P波波速給出精確的厚度。當(dāng)實(shí)際厚度不知道的情況下，采用脈沖回波法的P波波速的結(jié)果與設(shè)計(jì)厚度相比，比采用假定波速的敲擊回波法更精確。在所有的試驗(yàn)條件下，脈沖回波法結(jié)果與設(shè)計(jì)厚度相一致，zui大的誤差少于0.8英寸(20mm)。與設(shè)計(jì)厚度相比，對(duì)于較厚的試樣，敲擊回波法的誤差經(jīng)常被低估2英寸(51mm)或者更多。脈沖回波法比敲擊回波法的測(cè)量結(jié)果通常要好很多。